Phytoremediation for Treatment of Brackish Water from Reverse Osmosis Plant
Loading...
Date
2014
Authors
Rinad Jalal Yahya Hamed
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Brackish water as byproduct from Reverse Osmosis plant (RO) after desalination process, this considered as environmentally impact from RO usage. It contains significant concentrations of dissolved salts ions such as Na+, Cl-, Ca2+, Mg2, K1+, SO2-, and CO32- as major ions. Total Dissolved Salts (TDS) of these ions ranged from (5000 mg/L -10000 mg/L). Depletion of brackish water in unfriendly environmental ways causes plant growth inhibition due to osmotic stress caused to plant and soil; also will limiting the fields for agricultural use in the country. Phytoremediation are one of the methods can be used for water and land salt remediation.
In phytoremediation techniques, plants are used to extract, immobilize and degrade contaminants. The phytoextraction of salts relies on the uptake of ions into plants biomass during brackish water irrigation process. Salts ions are up taken by plants, sequestered and harvested as a plant biomass. This method removes the salts from soil and/or brackish water and leaving the environment clean.
As high salt concentrations inhibit plant growth, Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR) were found to improve plant growth by lowering production of stress ethylene compound within plants, thereby increasing the biomass and photosynthetic activity.
In this research, PGPRs were implemented to investigate the efficiency of phytoremediation techniques for treatment of generated brackish water. Two strains of PGPR (Pseudomonas putida UW3 and Pseudomonas putida UW4) were isolated from natural compound and obtained from Prof. Glick, Waterloo University - Canada, had been selected to be used with two plants: Barley (Hordeum valgare L.) and Malt plants (Panicum maximum Jacq.). Trials include treatment of these plants with PGPR and without PGPR in order to study the effects of PGPRs on the plant responses toward brackish water irrigation. All trials were carried in a designed green house.
The results showed that PGPRs had significant effects on plant growth (biomass), photosynthetic activity, membrane stability, and root and shoot lengths increase under salt stress compared to control trials treated without PGPRs and irrigated with fresh water and brackish water.
Greenhouse studies showed that plants treated with PGPRs and irrigated with brackish water increased significantly in biomass percentage for trails treated with fresh ware, 6000 mg/L of brackish water, 10000 mg/L of brackish water related for treated Barley seeds with UW3 ( 237.31%, 249.40%, 156.11%) and for treated Barley seeds with UW4 ( 156.11%, 237.31%, 288.83%) and for trials treated with UW3 and UW4 (128.12%, 267.67%, 288.56%) compared to control trials without PGPR irrigated either with fresh water (dd H2O) (100%), or 6000 mg/L (8.98 %) and 10000 mg/L of brackish water (150.08% ). It was noticed that the PGPRs treated plants had (283%), increase in their root and shoot length (respectively). Salt ions accumulation was found to be increased in shoots (159.09 mmol, 179.73 mmol) /0.114m2 of pots. TDS for decant water decreased to reach (0.101 mg/L). Electrolyte leakage assay showed that plant treated with PGPRs resulted in same values for trials treated with fresh water, less electrolyte leakage from membrane equal to 304 mg/L.
In addition, the several chlorophyll a fluorescence parameters, Fv/Fm, Y (II) and QN obtained from Pulse Amplitude Modulation (PAM) fluorometry showed that treated plants with PGPRs resulted in improvement in their photosynthesis under brackish water.
The novel results of this research study that carried for the first time where PGPRs (UW3, UW4) had been used for improving the phytoremediation activities of two salt tolerant plants: Barley (Hordeum valgare L.) and Malt plants (Panicum maximum Jacq.) had showed a very clear and significant improvements of high salt uptake and thus high phytoremediation activities of these plants once they were treated with PGPRs. The results of this research will be considered as an outbreak in the phytoremediation science and future applications.
تعتبر المياه عالية الملوحة ناتجا ثانويا يصدر عن محطات التناضح العكسي بعد عملية تحلية المياه. بحيث أن نسبة محتواها من أيونات الأملاح الذائبة مابين )mg/L -100005000 .(وهذه الأيونات هي أيون الصوديوم وأيون الكلور وأيونات الكالسيوم والمغنيسيوم والبوتاسيوم والكربونات والكبريتات. تعد هذه المياه ملوث للبيئة لاحتوائها على تلك التراكيز العالية من الأملاح، بحيث أنها تسبب مشاكل للتربة والنباتات وتحد من تطور المجال الزراعي في فلسطين. في الآونة الأخيرة تم تطبيق الأبحاث في علاج تلك المياه، من خلال تخفيف تراكيز الاملاح بإضافة المياه الحلوة، وتقنية أخرى تسمى بتقنية علاج النبات، بحيث تعتمد هذه التقنية بشكل رئيسي على النبات المتحمل للملوحة في عملية إستخراج الأملاح وتجميعها في الكتلة الحيوية. لكن بشكل عام، عند مرحلة معينة تعمل التراكيز العالية من الأملاح على تثبيط نمو النبتة حتى وإن كانت من النوع المتحمل للملوحة، لذلك درست بعض الابحاث تأثير نوع من أنواع البكتيريا المسماه ب PGPR في تعزيز نمو النباتات وتحسينه من خلال خفض إنتاج مركب الإثيلين المنتج في فترة إجهاد النبتة وتثبيط نموها، وتقوم هذه البكتيريا على تحسين عملية البناء الضوئي تحت الجهد المتعرضة له، مما يزيد من قابليتها لإمتصاص أكبر قدر من الأملاح وتخزينه في كتلتها الحيوية. في هذه الورقة البحثية تم اعتماد تقنية علاج النبات وتهجين بذور النبات بالسلالتينUW3 و UW4 المعزولة من مختبر البرفسور غليك واترلو في جامعة كندا لزيادة قابلية النبتة في التخلص من الأملاح أثناء عملية الري، وتجميعها في الكتلة الحيوية ومن ثم حصادها، وهكذا يتم التخلص من المياه عالية الملوحة بطرق ودية للبيئة. شملت المعاملات في التجربة معاملات لبذور الشعير والملت المهجنة بسلالة UW3، معاملات مهجنة بسلالة ال UW4 ، معاملات مهجنة بتلك السلالتين معا، ومعاملات دون أي تهجين أو معالجة لتعتبر المرجعية، كما تم إضافة معاملات أخرى احتوت تهجين البذور بسلالة ال UW3 مع الهيدروجين بيروكسيد، ومعاملات تمت معاملتها بالهيدرجين بيروكسيد لوحده. وتم تقسيم كل معاملة وري مجموعة بالماء العذب، وأخرى بمحلول المياه عالي الملوحة تركيز 6000 mg/L، وأخرى بمحلول 10000 mg/L. وتم تنفيذها في دفيئة زراعية صممت في حديقة المنزل. أظهرت النتائج أن تأثير PGPR أدى إلى زيادة في نمو النبات و النشاط الضوئي والاستقرار الغشائي، وكما لوحظ زيادة أطوال الجذور للمعاملات المعالجة بتلك السلالات حتى وإن كانت تحت جهد الأملاح مقارنة مع المعاملات المرجعية المروية سواء بالمياه العذبة أو التراكيز الأخرى من محاليل المياه المالحة. وكما لوحظ زيادة الكتلة الحيوية لمعاملات ال PGPR بحيث كانت للمعاملات المهجنة بسلالة( 237.31%, 249.40%, 156.11%) UW3، والمهجنة بسلالة ال UW4 ( 156.11%, 237.31%, 288.83%) ، والمهجنة بتلك السلالتين مع بعضهما(128.12%, 267.67%,288.56%) بينما المعاملات المرجعية كانت 100%),8.98 (% ,150.08% . وكما أظهرت الدراسة أن فحص تسرب الالكترونات للمعاملات مع PGPR المروية بمحاليل المياه المالحة وتساوي 304 mg/L وهي نفس القيم للمعاملات المروية بالمياه العذبة، مما يعني أن تسرب الالكترونات داخل الغشاء أقل من المعاملات دون ال PGPR والمروية بمحاليل المياه المالحة بحيث أن تسرب الالكترونات داخل الغشاء كان أعلى مما أدى إلى دمار الخلية. وكما تم استخدام جهاز PAM لقياس سير عملية البناء الضوئي داخل النبتة إن كانت ضمن معدلاتها الطبيبعة ، فأظهرت النتائج للمعاملات التي خضعت للمعالجة بسلالات ال PGPR والمروية بمحاليل المياه المالحة لم تتأثر لديها سير عملية البناء الضوئي داخلها ولم تتعرض لأي إجهاد ملحي على عكس المعاملات المرجعية والمروية بمحاليل المياه المالحة بحيث أظهرت القياسات أن هناك تراجع ملحوظ لعملية البناء الضوئي مما يدل على أن النتبة تعاني من إجهاد وزيادة في تركيز مركب الاثيليلن المثبط لنموها .
تعتبر المياه عالية الملوحة ناتجا ثانويا يصدر عن محطات التناضح العكسي بعد عملية تحلية المياه. بحيث أن نسبة محتواها من أيونات الأملاح الذائبة مابين )mg/L -100005000 .(وهذه الأيونات هي أيون الصوديوم وأيون الكلور وأيونات الكالسيوم والمغنيسيوم والبوتاسيوم والكربونات والكبريتات. تعد هذه المياه ملوث للبيئة لاحتوائها على تلك التراكيز العالية من الأملاح، بحيث أنها تسبب مشاكل للتربة والنباتات وتحد من تطور المجال الزراعي في فلسطين. في الآونة الأخيرة تم تطبيق الأبحاث في علاج تلك المياه، من خلال تخفيف تراكيز الاملاح بإضافة المياه الحلوة، وتقنية أخرى تسمى بتقنية علاج النبات، بحيث تعتمد هذه التقنية بشكل رئيسي على النبات المتحمل للملوحة في عملية إستخراج الأملاح وتجميعها في الكتلة الحيوية. لكن بشكل عام، عند مرحلة معينة تعمل التراكيز العالية من الأملاح على تثبيط نمو النبتة حتى وإن كانت من النوع المتحمل للملوحة، لذلك درست بعض الابحاث تأثير نوع من أنواع البكتيريا المسماه ب PGPR في تعزيز نمو النباتات وتحسينه من خلال خفض إنتاج مركب الإثيلين المنتج في فترة إجهاد النبتة وتثبيط نموها، وتقوم هذه البكتيريا على تحسين عملية البناء الضوئي تحت الجهد المتعرضة له، مما يزيد من قابليتها لإمتصاص أكبر قدر من الأملاح وتخزينه في كتلتها الحيوية. في هذه الورقة البحثية تم اعتماد تقنية علاج النبات وتهجين بذور النبات بالسلالتينUW3 و UW4 المعزولة من مختبر البرفسور غليك واترلو في جامعة كندا لزيادة قابلية النبتة في التخلص من الأملاح أثناء عملية الري، وتجميعها في الكتلة الحيوية ومن ثم حصادها، وهكذا يتم التخلص من المياه عالية الملوحة بطرق ودية للبيئة. شملت المعاملات في التجربة معاملات لبذور الشعير والملت المهجنة بسلالة UW3، معاملات مهجنة بسلالة ال UW4 ، معاملات مهجنة بتلك السلالتين معا، ومعاملات دون أي تهجين أو معالجة لتعتبر المرجعية، كما تم إضافة معاملات أخرى احتوت تهجين البذور بسلالة ال UW3 مع الهيدروجين بيروكسيد، ومعاملات تمت معاملتها بالهيدرجين بيروكسيد لوحده. وتم تقسيم كل معاملة وري مجموعة بالماء العذب، وأخرى بمحلول المياه عالي الملوحة تركيز 6000 mg/L، وأخرى بمحلول 10000 mg/L. وتم تنفيذها في دفيئة زراعية صممت في حديقة المنزل. أظهرت النتائج أن تأثير PGPR أدى إلى زيادة في نمو النبات و النشاط الضوئي والاستقرار الغشائي، وكما لوحظ زيادة أطوال الجذور للمعاملات المعالجة بتلك السلالات حتى وإن كانت تحت جهد الأملاح مقارنة مع المعاملات المرجعية المروية سواء بالمياه العذبة أو التراكيز الأخرى من محاليل المياه المالحة. وكما لوحظ زيادة الكتلة الحيوية لمعاملات ال PGPR بحيث كانت للمعاملات المهجنة بسلالة( 237.31%, 249.40%, 156.11%) UW3، والمهجنة بسلالة ال UW4 ( 156.11%, 237.31%, 288.83%) ، والمهجنة بتلك السلالتين مع بعضهما(128.12%, 267.67%,288.56%) بينما المعاملات المرجعية كانت 100%),8.98 (% ,150.08% . وكما أظهرت الدراسة أن فحص تسرب الالكترونات للمعاملات مع PGPR المروية بمحاليل المياه المالحة وتساوي 304 mg/L وهي نفس القيم للمعاملات المروية بالمياه العذبة، مما يعني أن تسرب الالكترونات داخل الغشاء أقل من المعاملات دون ال PGPR والمروية بمحاليل المياه المالحة بحيث أن تسرب الالكترونات داخل الغشاء كان أعلى مما أدى إلى دمار الخلية. وكما تم استخدام جهاز PAM لقياس سير عملية البناء الضوئي داخل النبتة إن كانت ضمن معدلاتها الطبيبعة ، فأظهرت النتائج للمعاملات التي خضعت للمعالجة بسلالات ال PGPR والمروية بمحاليل المياه المالحة لم تتأثر لديها سير عملية البناء الضوئي داخلها ولم تتعرض لأي إجهاد ملحي على عكس المعاملات المرجعية والمروية بمحاليل المياه المالحة بحيث أظهرت القياسات أن هناك تراجع ملحوظ لعملية البناء الضوئي مما يدل على أن النتبة تعاني من إجهاد وزيادة في تركيز مركب الاثيليلن المثبط لنموها .